[发明专利]一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统

说明书

本发明目的在于提供一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统，用于解决当前弹道导弹动力学模型和三维可视化模型融合问题；同时提供一种解决在Unity3D环境中Rigid Body无法模拟地球引力问题；所述一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统包括：地球三维要素模型模块，地球引力模块，弹道导弹动力学模块，弹道导弹制导模块，PID控制模块；所述地球三维要素模型模块包括地球模型，地图模型，发射车模型，导弹模型，雷达模型，轨迹模型以及目标模型；所述地球引力模块负责仿真模拟导弹引力；所述弹道导弹动力学模块包含轨道动力学和空气动力学；所述弹道导弹制导模块包含程序制导和终端制导；所述PID控制模块使系统时刻处于稳定工作状态。

技术领域

本发明涉及导弹动力学仿真技术领域，具体的，涉及一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统。

背景技术

弹道导弹动力学仿真技术是指通过计算机模拟弹道导弹的运动轨迹，以及在飞行过程中所受到的各种力和力矩，从而得到导弹的飞行状态和性能参数。在实际应用中，弹道导弹动力学仿真技术可以用于导弹的设计、试验、评估和改进等方面。

弹道导弹动力学包括弹道导弹轨道动力学和弹道导弹空气动力学。主要分为三个阶段：主动段，自由段和再入段；主动段由火箭发动机开始点火至将弹头提升至某一速度或高度后关闭发动机的过程；自由段即导弹飞出大气层，此阶段只受地球引力作用，对于无动力的弹道导弹来说其轨道类似于抛物线；再入段即导弹再入大气层，此阶段导弹利用自身的乘波体特性控制飞行，由于需要考虑导弹自身重力，导弹体所受地球大气的升力、阻力、侧滑力以及改变导弹姿态的扭矩，配合雷达、导弹制导和PID控制等，是弹道导弹面临困难最大的阶段。

弹道导弹动力学模型复杂，实验成本高。随着计算机技术的快速发展，采用软件仿真模拟弹道导弹动力学在一定程度上能够降低实验成本，通过三维可视化模型仿真，可以更加直观、形象地展现导弹的外形、飞行轨迹、速度、加速度、姿态等参数，让设计人员更好地了解和掌握导弹的设计特点和性能表现，从而进行有效的设计优化和改进。同时，弹道导弹的动力学三维仿真模型还能作用于数字化战场，便于指挥人员进行作战推演和战前预演。

但因其跨学科，研发成本高等特性。目前，弹道导弹动力学三维仿真的系统较少，将动力学模型与三维可视化模型结合的研究更少。且Unity3D环境中Rigid Body的重力方向指向X-Z平面，要实现三维环境下的地球引力作用还需重建引力模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统，用于解决当前弹道导弹动力学模型和三维可视化模型融合问题；同时提供一种解决在Unity3D环境中Rigid Body无法模拟地球引力的问题；

所述一种基于Unity3D弹道导弹动力学三维仿真系统包括：地球三维要素模型模块，地球引力模块，弹道导弹动力学模块，弹道导弹制导模块，PID控制模块；

所述地球三维要素模型模块包括地球模型，地图模型，发射车模型，导弹模型，雷达模型，轨迹模型以及目标模型；

所述地球引力模块主要负责对地面物体，导弹飞行器的引力进行仿真模拟，由于Unity3D的Rigid Body重力方向始终向下(垂直于X-Z平面)，因此使用万有引力公式建立导弹的引力模型，其引力矢量F计算公式如下：

其中G为引力常数，M为地球质量，m为导弹质量，R为地球半径，h为导弹的飞行高度，D表示引力的单位方向矢量，其计算公式如下：

其中P_m为导弹的三维坐标，P_e为地球质心的三维坐标；

所述弹道导弹动力学模块主要包含轨道动力学和空气动力学，所述轨道动力学部分使用上述地球引力模块进行计算，主要对三维空间位置和速度进行建模，瞬时速度V_t的计算公式如下：